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1、第四章 内燃机的燃烧与放热 41 内燃机燃烧热化学 一、燃料燃烧反应方程式 内燃机燃料的主要成分为碳和氢，此外还含有少量的 氧、硫等杂质。这些成分及化合物的燃烧可用以下化学反应方程式予以表示： 碳完全燃烧,碳不完全燃烧,氢燃烧,硫燃烧 甲烷燃烧 以上反应方程式中的热值均为273K时的值。对于一般碳氢化合物来说，其燃烧反应方程式可写成如下形式：,（41）,由于在空气中，对应于1mol ，还含有3.76mol的 及其他气体，所以，如果反应是利用空气来进行的，则在反应式中，对应所必需的1mol ，还带入了3.76mol 的及其他气体。因而对于碳氢化合物来说，其燃烧反应方程式可写成如下通式：,（42）
2、,这说明，碳氢化合物完全燃烧时，不管其分子结构如何复杂，总是生成CO2和水蒸气，其量由该碳氢化合物中碳原子和氢原子的含量而定。,二、燃料燃烧所需空气量 由以上所列燃料成分的燃烧反应方程式及其分子量关系，即可求出1kg燃料完全燃烧所需的最低空气量(即理论空气量) ，将1kg燃油中各元素的含量以重量成分表示,则,燃烧过程中，完全燃烧时，C、H、O化合成为CO ，H O .参加燃烧的O ,H 及,燃烧产物CO ,H O（在高温下水是蒸气）,都是气态，,人们引入了kmol这一便于计算的气体容积的单位。,1kmol的气体容积是以kg计的一个分子量重量气体。在压力为0.1MP ，0的标准状况下，1kmol
3、的理论气体或近似理论气体的容积相等，即为22.4 。每kmol的O 、 H 或CO 的重量为32，2，44kg，但是容积均为22.4 。这里H的原子量为1，O的原子量为16，C的原子量为12，CO2的原子量为122*1644。,碳完全燃烧,C为固体，其容积与1kmol气体的体积相比可以忽略不计。,完全燃烧需要 。 同样： 完全燃烧 需要,完全燃烧 需要 1kg燃料中有g0kg的O2，即 kmol的O2。则1kg的燃料完全燃烧需理论氧量为： M （ ） kmol,空气主要由氧气、氮气及微量惰性气体组成，空气的分子量为28.95，1kmol空气中，氧气约占0.21kmol，氮气及其它气体约占0.7
4、9kmol。因此，1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量为：,L （ ） kmol空气/kg燃料 (4-3),按重量计算为： 28.95 L （kg空气）/（kg燃料）,按空气标准体积（ ）计为： 一般石油燃料，可认为 。汽油的平均组成为 ,可用 近似表示 ；柴油的平均组成为 可用 近似表示。根据以上二式，汽油和柴油完全燃烧所需的理论空气量分别为： ，,； 或 内燃机运转时，随着混合气形成方式和工作情况的不同，燃烧1kg燃料所耗费的实际空气质量L可能大于、小于或等于燃料完全燃烧所需的理论空气量。充入气缸内的实际空气质量与进入气缸内的燃料完全燃烧所需的理论空气量的比值称为过量空气系数，记作 = (4
5、4) 有时用空燃比AF或燃空比FA来表示可燃混合气的成分。充入气缸内的实际空气质量与进入气缸内的燃料量的质量比为空燃比，即：,AF= FA=1/AF 显然：可燃混合气按理论混合比混合，=1。 若1，则氧量不足，称之为浓混合气； 若1，则氧量过剩，称之为稀混合气。 实际上，即使是在一台内燃机的一个工作循环中，其值也会随时间和气缸中空间位置的不同而变化。式(44)所表达的值是指一个工作循环中缸内的算术平均值。 三、燃料燃烧产物量及其物质的量的改变 根据燃料燃烧反应方程式还可计算燃料完全燃烧的燃烧产物量以及燃烧反应前后分子数的改变。燃烧前，1kg燃料与空气形成的可燃混合气总物质的量 为 : kmol
6、 (45),式中， 燃料的相对分子质量。 当1时，1kg燃料完全燃烧所生成的各种成分气体的物质的量为： 由 kg C生成 kg H生成 的空气中剩余的0.21(-1) kmol的氧； 反应前后数量不变仍为0.79 。 这样，燃烧产物的总物质的量： (46),将式(43)的 值代入式(46)，忽略 ，化简后得 对于固体和液体燃料，由于其体积与参加燃烧的空气体积相比很小，可略去不计，式(4-5)可表为： 所以，1kg燃料在燃烧前及燃烧后气体物质的量的增量为: 在气体燃料的情况下，根据其所含成分和有关的燃烧反应方程式，同样可以计算出单位标准体积的气体燃料完全燃烧后体积的变化量。,例如，对于一般的碳氢
7、化合物(CnHm)若n4，则燃烧后体积增加，而CO、 在燃烧后体积减少( )。 但由于在不完全燃烧的情况下，碳燃烧生成CO的体积比参加燃烧的氧的体积增加了一倍，所以1的浓混合气在汽油机中无烟燃烧时(CO是无色无味的有害气体)，其物质的量增加了，这样可使内燃机功率 提高。然而因燃烧不完全，燃料消耗率 却会增加。燃烧后燃烧产物的kmol数 与燃烧前可燃混合气的kmol数M 之比叫做理论分子变更系数，以 表示，即 （4-7）,四、燃烧热与绝热火焰温度 在一定条件下，化学反应常常伴有放热或吸热现象，一般称之为反应热。单位数量(以质量、容积或物质的量表示)的燃料完全燃烧时的反应热称为该燃料的燃烧热或热值
8、。 可燃混合气经过绝热过程（燃烧时热量不向外传出）最终达到的燃烧温度，称为绝热火焰温度，又称为最高燃烧温度。,42 内燃机缸内的空气运动 内燃机缸内的空气运动是影响内燃机燃烧过程的主要因素之一。缸内的空气运动包括涡流、挤流、滚流和湍流。下面将这些特性一一加以阐述。 （一）涡流 （1）进气涡流的形成 主要有三种：导气屏、切向进气道、螺旋进气道。 (a) 导气屏 在进气门平顶的背面加上一段圆弧形的导气屏而构成，气流只能从无导气屏的一端流入气缸，在气缸的限制下，在缸内形成绕气缸旋转的涡流。此法对产生的缸内涡流强度可调，做试验时较为方便。但是制造成本高，流动特性差，可靠性也差，产品上已不用。 (b)切
9、向进气道,图41 产生进气涡流的方法 （）导气屏气门；（）切向进气道 ；(c)螺旋气道,与导气屏一样，涡流不在气道内形成，而在缸内形成。气道仅起导向作用，气流入口处越小，产生的涡流越大，但流通系数变小（即阻力变大）。 切向进气道产生中等强度的涡流，但是变化对涡流强度很敏感，生产上不易稳定，对铸造工艺要求较高（保证的一致），主要在大缸径开式燃烧室柴油机上使用,越大，涡流越弱，流通系数就越大。 (c)螺旋进气道 涡流是在螺旋形气道内形成的，入缸后一方面绕自身轴线旋转，另一方面绕气缸轴线旋转。可以产生中等或强涡流，流通系数也很大，对涡流的敏感性相对于切向进气道也好一些。在要求较强涡流的中小型高速柴油
10、机上得到广泛应用。 （二）压缩涡流与挤压涡流 在压缩行程开始时，因缸内存在进气涡流，随着压缩行程的进行，缸内涡流被压入口径较小的燃烧室凹坑，形成沿凹坑旋转的,压缩涡流。由动量守恒，进气涡流所具有的动量矩基本不变的情况下，气流旋转半径缩小，势必使燃烧室内的涡流角速度增大。 压缩终点涡流的角速度的大小很难测定，对于凹坑与气缸中心线对称的圆柱形燃烧室，日本池上旬提出下面计算涡流增速比的公式： 、 ：压缩始点和压缩终点涡流的角速度； 、 ：压缩始点与压缩终点活塞顶面到缸盖底面的距离； H ：凹坑深度； ： 活塞顶凹坑的直径， D缸径。 下图是一计算的例子： 活塞上行时，除在凹坑里形成压缩涡流外，还存在
11、一种径向的空气挤压流动，称为挤流。活塞下行时，凹坑内的气体又向外流入环行空间，产生逆挤流；如图所示：,图43 燃烧室的涡流增速比的 燃烧室口径比 0.35；活塞顶间隙0.9；压缩比16.4,图44 挤流与逆挤流 （）挤流；（）逆挤流,对于有明显凹坑的燃烧室来说，较强的挤流分量可以诱导产生较强的小尺度气流紊动即微涡流。微涡流具有促使油气和空气的分子尺度均匀而迅速的混合作用；另外，其张量耗散作用还能对进气涡流起到调整阻尼作用。例如：当发动机转速上升，微涡与气流速度一样呈直线增加，从而对高速工况的过强涡流起到抑制消减作用，保证油气在较大转速范围内匹配良好。如图所示 ： 图45涡流微涡流与相对挤气面积
12、的关系 1.坑内涡流； 2.缸内涡流； 3.挤压涡流；4.微涡流,二、滚流 滚流是在内燃机进气过程中形成的另一种客观的大尺度涡流。与进气涡流相同的是，二者都是在进气过程中由进气道和气缸壁形成的。两者的区别在于涡流的旋转轴与气缸轴线平行或重合，而滚流的旋转轴线与气缸轴线垂直。在一般立式内燃机中，涡流的轴线与气缸轴线平行，称为立轴涡流,而滚流轴线与气缸轴线垂直，也称为横轴涡流。还有一种涡流旋转轴即不是垂直方向的，也不是水平方向的，通常称这种涡流叫斜轴涡流，它是由涡流与滚流合成的缸内宏观气流运动。 对于四气门汽油机来说，斜轴涡流在关闭双进气道中的一个而保证另一个进气道正常工作的情况下较为常见，但在双
13、进气道同时进气时，缸内宏观气流运动主要是滚流。,图46 滚流产生和发展 （一）滚流的产生及其发展变化 对于四气门的汽油机所采用的坡屋顶燃烧室，两个进气门和两个排气门分别对称的布置在它的两侧。这样吸入缸内的空气很容易形成横向大尺度滚流，其尺度相当于缸径的大小。图46所示的是这种四气门汽油机缸内滚流产生和发展示意图。,由图可见，从进气道进入气缸的气流形成了如箭头所示一边下沉一边绕横轴旋转的滚流运动。 为了降低进气阻力，且在缸内形成较强的滚流，必须选择适当的气道结构和形状。如图47所示，四气门汽油机的进气道一般有两种，一种是分叉式，一种是单独的两个进气道。对比测试表明后者的滚流速度和流量系数要大，可
14、见后者的滚流与通流能力要比前者强。另外图中H值大的要比H值小的滚流速度和气道流量系数大。因此，H值大的高位切向双进气道被认为是四气门汽油机较为理想的进气道结构。 图47 两种不同结构的进气道,滚流和涡流均能起到保存进气动能，促进混合气形成和燃烧、提高空气利用率和降低燃烧系统对过量空气系数的要求等作用。但是滚流还具有比涡流在上止点更能生成大量微小涡旋，且以不规则的脉冲运动扩展成为强度很高的湍流，从而更有利于促进燃烧的进行。 图48说明了缸内滚流的发展变化的三个阶段。 图48 缸内滚流的发展变化过程,第一阶段 在进气时产生滚流运动。 第二阶段 在压缩早、中期，滚流遵守动量矩守恒而得到加强，但又受到
15、壁面摩擦和流体剪切应力的抑制。 第三阶段 滚流受到活塞运动的挤压而破碎成微涡旋，且迅速形成较强的湍流。 （二）滚流对燃烧过程的影响 湍流运动可以较大的提高燃烧速度，改善内燃机的性能。 在滚流辅助燃烧的情况下，由于存在较强的湍流，使着火滞燃期短，火焰前锋的传播速度加快，因而使燃烧持续期明显减少。此外，还有利于改善内燃机部分负荷工况的燃烧稳定性，使之可同时获得降低油耗和污染物排放的效果。由于滚流燃烧系统对爆震相对敏感性较小，因此可以提高内燃机的平均有效压力左右。 在内燃机高负荷工况下，加快燃烧可能导致压力升高率上升，使燃烧噪声增大。因此对不可调进气系统而言，它只能在发动机较窄的运行范围内获得高的性能。为了发挥滚流对部分负荷性能的改,善能力，又保证高负荷下的性能，出现了可变滚流系统。 如日本雅马哈公司1995年研发成功的用于摩托车汽油机的可变进气系统。 德国FEV公司也研发了一种连续可变滚流系统。该系统在汽油机整个宽广的运行范围内都具有改善燃烧
